功能材料設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)
功能材料設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)
一、前言
壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年，法國(guó)物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。隨即，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場(chǎng)作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱(chēng)性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形[1]。
利用壓電材料的這些特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)（聲波）和交流電的互相轉(zhuǎn)換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件和濾波器中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測(cè)量元件以及各種形式的濾波器等。其中，薄膜體聲波諧振器(FBAR)[2]作為一種工作頻率高、溫度系數(shù)小、功率容量大、損耗低、抗干擾好、體積小、成本低、可大批量生產(chǎn)的新興射頻濾波器，具有廣闊的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的聲表面波濾波器
（SAW），體聲波的傳播速度比表面聲波快很多，故其在高頻應(yīng)用中（1GHz-20GHz）已經(jīng)顯示出了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而壓電薄膜是FBAR 技術(shù)研制的關(guān)鍵，為了制備一種高效率、諧振頻率可調(diào)的薄膜體聲波諧振器，可通過(guò)對(duì)以下幾種適用于FBAR 濾波器的壓電材料進(jìn)行比較如表1
綜合表中各項(xiàng)參數(shù)可看出，BST 是比較適合做可調(diào)諧FBAR 濾波器的壓電材料。故選用具有介電損耗小、Q 值高、壓電性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的鈦酸鍶鋇材料（BST）制備，可使薄膜體聲波諧振器（FBAR ）技術(shù)快速發(fā)展。
鈦酸鍶鋇薄膜（BST）有多種制備方法，主要有射頻磁控濺射法、脈沖激光沉積法（ＰＬＤ）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（ＭＯＣＶＤ）和溶膠-凝膠法等，在諸多制備方法中采用射頻磁控濺射制備電介質(zhì)薄膜是當(dāng)前最為廣泛的方
法之一，射頻濺射和磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)體現(xiàn)在射頻磁控濺射當(dāng)中。該方法襯底溫度較低、制備出薄膜的結(jié)晶性和鐵電性好，但該方法在濺射過(guò)程中粒子的沉積速率較低，薄膜的成分和靶材有一定偏差，而且偏差的大小與工藝有關(guān)，因此對(duì)磁控濺射工藝參數(shù)的選擇尤為重要。本文通過(guò)優(yōu)化工藝條件在Pt/Si 襯底上制備出低損耗的BST 薄膜，然后用XRD，AFM，SEM 等表征方法分析薄膜的微結(jié)構(gòu)與表面形貌，并研究其成膜時(shí)間、襯底溫度、濺射功率、濺射氣壓等參數(shù)對(duì)薄膜的壓電性能及介電性能的影響。
二、設(shè)計(jì)目的
為制出高效率、諧振頻率可調(diào)的薄膜體聲波諧振器（FBAR）選用鈦酸鍶鋇（BST）壓電薄膜材料。
三、設(shè)計(jì)原理
原理：薄膜體聲波諧振器（FBAR） 采用電極-壓電薄膜-電極（MIM）結(jié)構(gòu)，利用壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）將輸入的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定頻率的聲信號(hào)。根據(jù)駐波條件，當(dāng)聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)就產(chǎn)生諧振，諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號(hào)能通過(guò)壓電薄膜層，而其他頻率的信號(hào)被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的濾波功能。
固有損耗以及聲波在襯底中損耗的參數(shù)，因此在電極邊界形成聲波的全反射能有效提高Q值。為實(shí)現(xiàn)FBAR器件的聲波全反射，其結(jié)構(gòu)主要有兩種：
一、在底電極下形成空氣-固體交界面作為聲波反射面；如圖1所示，采用空氣-金屬交界面來(lái)限制聲波傳播，稱(chēng)為空腔聲學(xué)隔離結(jié)構(gòu)。
二、采用“聲波鏡”形成反射面來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波全反射射，稱(chēng)為反射層聲學(xué)隔離結(jié)構(gòu)。
空腔聲學(xué)隔離結(jié)構(gòu)的FBAR，它采用體微機(jī)械加工技術(shù)去掉部分襯底，形成邊緣支撐懸空的膜結(jié)構(gòu)，從而將聲波限制于壓電振蕩層之內(nèi)。 但襯底的大量移除會(huì)造成器件的機(jī)械性能降低，而且腐蝕厚度難以控制。
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